CN104854311A - 结合有蜿蜒冷却回路和轴向顶端冷却回路的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

一种空气冷却的涡轮叶片(10)，包括前缘和后缘(22，24)以及在前缘和后缘之间延伸的压力和抽吸侧壁(18，20)。前缘和后缘冷却回路(34，36)分别邻近前缘和后缘沿翼展方向延伸。前向流中间部分蜿蜒冷却回路(38)沿翼展方向延伸，并位于前缘和后缘冷却回路之间。轴向顶端冷却回路(40)在弦向方向上延伸，并在蜿蜒冷却回路外端处位于叶片的顶帽和蜿蜒冷却回路之间。轴向顶端冷却回路具有前向端(41)，其接收来自蜿蜒冷却回路的最终通道(62)的冷却空气，并邻近后缘排出冷却空气。提供了一种冷却对应涡轮叶片(10)的方法。

Description

结合有蜿蜒冷却回路和轴向顶端冷却回路的涡轮叶片
技术领域
本发明总体上涉及涡轮叶片，更具体地，涉及一种具有冷却回路的涡轮叶片，冷却回路用于将冷却空气引导通过叶片的翼面。
背景技术
常规燃气轮机发动机包括压缩器、燃烧器和涡轮。压缩器包括被供给到燃烧器的环境空气，在燃烧器，环境空气与燃料混合，然后，点燃混合物，从而产生形成热工作气体的燃烧产物。工作气体被供给到涡轮，在涡轮，气体通过多对静止轮叶排和旋转叶片排。旋转叶片联接到轴和盘组件。当工作气体膨胀通过涡轮时，工作气体使叶片及由此使轴和盘组件旋转。
由于涡轮叶片暴露于热工作气体，涡轮叶片必须由能够承受这种高温的材料制成。另外，涡轮叶片通常包含冷却***，用于延长叶片寿命，并降低由温度过高而引起故障的可能性。
通常，涡轮叶片包括根部、平台和从平台向外延伸的翼面。翼面一般由顶端、前缘和后缘组成。大多数叶片通常包含形成冷却***的内部冷却通道。叶片中的冷却通道可接收来自涡轮发动机的压缩器的冷却空气，并使空气通过叶片。
发明内容
根据本发明的方面，提供了一种空气冷却的涡轮叶片，其包括具有前缘和后缘的翼面以及压力侧和抽吸侧壁。压力和抽吸侧壁在前缘和后缘之间沿翼弦方向延伸，并在叶片根部和翼面顶端之间沿翼展方向延伸。前缘冷却回路邻近前缘沿翼展方向延伸，后缘冷却回路邻近后缘沿翼展方向延伸。中间部分蜿蜒冷却回路沿翼展方向延伸，并位于前缘冷却回路和后缘冷却回路之间，以在从后缘向前缘延伸的前向方向上引导空气。蜿蜒冷却回路包括第一通道和最终通道，第一通道接收来自第一通道根部通路的冷却空气。轴向顶端冷却回路在翼弦方向上延伸，并位于顶帽和第一通道外端处的蜿蜒冷却回路之间。轴向顶端冷却回路具有接收来自蜿蜒冷却回路的最终通道的冷却空气的前向端，并邻近后缘排出冷却空气。
蜿蜒冷却回路的最终通道可以是向外流动的通道，其延伸到顶帽，并在弯曲部处连接到轴向顶端冷却回路的前向端。蜿蜒冷却回路可包括位于第一和最终通道之间的至少一个中间通道，冷却流可在弯曲部处进入轴向顶端冷却回路之前，通过第一、中间和最终通道中的每个。相邻的通道由腿分隔开，腿沿翼展方向延伸，并从压力侧壁延伸到抽吸侧壁，前缘冷却回路和蜿蜒回路的最终通道可由其间共同的腿分隔开。
前缘根部通路可给前缘冷却回路提供冷却空气，后缘根部通道可给后缘冷却回路提供冷却空气，其中，前缘冷却回路将冷却空气引导至前缘，后缘冷却回路提供在多个后缘出口通路处离开翼面的冷却空气。
轴向顶端冷却回路可以限定为在顶帽和沿从轴向顶端冷却回路的前向端到邻近后缘位置的尾方向延伸的空腔地板(cavity floor)之间从压力侧壁延伸到抽吸侧壁的连续空腔。空腔地板可限定出用于第一通道外端处的蜿蜒冷却回路和用于后缘冷却回路的外部流边界。
压力和抽吸侧角部可在所述顶帽与相应压力和抽吸侧壁的接合处限定在所述轴向顶端冷却回路内，所述顶帽由从压力和抽吸壁角部朝向所述空腔地板向内延伸的相对侧部限定，在相对侧壁处的接合处，轴向顶端冷却回路在翼展方向上具有最小尺寸。肋状湍流器在所述轴向顶端冷却回路内从压力和抽吸侧壁的内表面延伸，所述湍流器相对于所述空腔地板在翼展方向和尾方向上倾斜，以在轴向顶端冷却回路中朝向所述顶帽径向向外地产生冷却空气的湍流。所述湍流器从所述空腔地板以介于约30度于约45度范围内的角度向外倾斜。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于冷却燃气轮机发动机中使用的涡轮叶片的方法，所述涡轮叶片包括向内安置的叶片根部以及具有向外安置的顶端的翼面，所述翼面包括前缘和后缘，所述后缘具有多个后缘出口通路，以从所述翼面排出冷却空气。所述方法包括：经由所述叶片根部给所述翼面供给冷却空气；使一部分冷却空气通过前缘冷却回路，以冷却所述翼面的前缘；使一部分冷却空气通过后缘冷却回路，以经由多个出口通路离开所述翼面；使一部分冷却空气通过位于所述前缘冷却回路和所述后缘冷却回路之间的前向流动的蜿蜒冷却回路；以及使来自所述蜿蜒冷却回路的前向端的冷却空气朝向所述后缘在所述轴向顶端冷却回路内轴向地流动，以给位于所述翼面的顶端的顶帽提供冷却。
所述蜿蜒冷却回路包括第一通道、至少一个中间通道和最终通道，其中，所述最终通道包括邻近所述顶帽的外端，在所述外端处，所述冷却空气从所述蜿蜒冷却回路到达所述轴向顶端冷却回路。来自所述蜿蜒冷却回路的冷却空气沿所述顶帽的内表面在所述轴向顶端冷却回路内从邻近所述前缘冷却回路的前向位置传到向后位置，在向后位置，冷却空气邻近所述翼面的后缘离开所述翼面。将冷却空气的穿过所述蜿蜒冷却回路的部分经由所述叶片根部供给到所述蜿蜒冷却回路的第一通道。将所述冷却空气的额外部分经由所述叶片根部直接供给到所述蜿蜒冷却回路的最终通道。
与提供给所述轴向顶端冷却回路的弦中心的冷却空气相比，在所述轴向顶端冷却回路内朝向所述轴向顶端冷却回路的邻近所述翼面的侧壁的部分引导更大量的空气。
附图说明
尽管本说明书以特别指出和明确要求本发明的权利要求书结束，但是应明白，结合附图，从下面的描述中会更好地理解本发明，附图中类似的参考标号表示类似的元件，附图中：
图1是示出本发明各方面的沿涡轮叶片的翼弦中心截取的截面图；
图2是沿图1的线2-2截取的截面图；
图3是横向于翼弦方向截取的涡轮叶片的外部的截面图；以及
图4是示出本发明各方面的穿过冷却回路的冷却空气流的流程图。
具体实施方式
在下面对优选实施例的详细描述中，参考形成本发明一部分的附图，附图以说明性方式而不以限制性方式示出可实施本发明的特定优选的实施例。应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其它实施例，并且可以进行改变。
参见图1，根据本发明的方面，示出了用于燃气轮机发动机的空气冷却的涡轮叶片10。叶片10包括翼面12和根部14，根部用于常规地将叶片10固定到发动机的转子盘，转子盘用于在涡轮的热工作气体流路中支撑叶片10，热工作气体对叶片表面施加原动力。
如在图2中进一步看出，翼面12具有外壁16，外壁包括大致凹形压力侧壁18和大致凸形抽吸侧壁20。压力和抽吸侧壁18、20沿上游前缘22和下游后缘24连接在一起。前缘和后缘22、24轴向地或弦向地彼此分开。翼面12(如由压力和抽吸侧壁18、20限定的)沿翼展方向或叶片10从径向内部叶片平台26至径向外部叶片顶端28的径向方向径向地延伸，并在前缘和后缘22、24之间弦向地延伸。根部14从叶片平台26径向向内延伸。
参见图1，空腔30在压力侧和抽吸侧壁18、20之间限定在翼面12内。根据本发明的方面，多个冷却回路设置在空腔30内，以给叶片10的外壁16和顶帽32提供冷却。特别地，前缘冷却回路34、后缘冷却回路36、中间部分蜿蜒冷却回路38和轴向顶端冷却回路40包含在空腔30内。
前缘冷却回路34在空腔30内沿翼展方向延伸到邻近前缘22的顶帽32，接收供给通过前缘根部通路42的冷却空气，冷却空气比如可提供为从发动机的压缩器流出并以常规方式引导至转子盘的冷却空气。前缘冷却回路34包括主通道44，并显示为包括由多个交叉孔48支持的多个前缘夹层46，交叉孔与主通道44连通。来自前缘夹层46的大多数空气可经由薄膜冷却孔49的淋浴头布置流出，如图1、2和4所见。薄膜冷却孔49给翼面12的前缘22提供冷却空气的薄膜冷却流。
后缘冷却回路36在空腔30内沿翼展方向延伸至邻近后缘24的轴向顶端冷却回路40，接收供给通过后缘根部通路50的冷却空气。后缘冷却回路36包括多个后缘出口通路52，在本文中显示为构造成提供对流热交换以冷却邻近后缘24的压力和抽吸侧壁18、20的多个曲折通路。穿过出口通路52的冷却空气经由排出槽52排出，以在翼面12的后缘24处提供薄膜冷却。
中间部分蜿蜒冷却回路38在空腔30内沿翼展方向延伸，并位于前缘冷却回路34和后缘冷却回路36之间，以在从后缘24向前缘22延伸的前向方向上引导冷却空气。蜿蜒冷却回路38包括第一通道54、通过外部轴向通路60连接到邻近空腔地板58的第一通道54的中间通道56和通过内部轴向通路64连接到中间通道56的最终通道62。冷却空气经由第一通道根部通路66进入第一通道54，并朝向空腔地板58径向向外流动。
轴向顶端冷却回路40沿弦向延伸，并位于顶帽32和蜿蜒冷却回路38之间，位于蜿蜒冷却回路38的外端，如由第一、中间和最终通道54、56、62限定的。第一和中间通道54、56的外端由在压力和抽吸侧壁18、20之间延伸的空腔地板58限定，最终通道62的外端由顶帽32限定，并位于与轴向顶端冷却回路40的前向端41重合的区域。轴向顶端冷却回路40从前向端41连续地延伸到后缘24，在前向端，接收来自蜿蜒冷却回路38的最终通道62的冷却空气，在后缘，冷却空气从轴向顶端冷却回路40排出。
相邻的第一和中间通道54、56由横跨在压力和抽吸侧壁18、20之间的第一隔壁或腿38a分开，横跨在压力和抽吸侧壁18、20之间的第二隔壁或腿38b使相邻的中间和最终通道56、62分开。腿38a、38b从内部位置(比如邻***台26和/或根部14)向外延伸。第一腿38a延伸到第一轴向通路60的位置，第二腿38b从第二轴向通路64的位置延伸到空腔地板58，其中，第二腿38b和空腔地板58的前向端之间的接合由具有曲率C的弧的弯曲部68(即，逐渐的或弯曲的过渡部)限定，其中，弧曲率优选地大于中间通路56的轴向宽度的约一半。因此，蜿蜒冷却回路38和轴向顶端冷却回路40可被认为是一体的或连续的回路，用于冷却叶片10的中间部分和顶端。
蜿蜒冷却回路38的最终通道62和前缘冷却回路34的主通道44由横跨在压力和抽吸侧壁18、20之间的隔壁或腿34a分开，其中，腿34a由前缘冷却回路34和蜿蜒冷却回路38两者共有。蜿蜒冷却回路38的第一通道54和后缘冷却回路36由横跨在压力和抽吸侧壁18、20之间的隔壁或腿36a分开，其中，腿36a由后缘冷却回路36和蜿蜒冷却回路38两者共有。因此，蜿蜒冷却回路38轴向地横跨在前缘冷却回路34和后缘冷却回路36之间。另外，经由第一通道根部通路66供给到蜿蜒冷却回路38的基本所有冷却空气在进入轴向顶端冷却回路40之间流过蜿蜒冷却回路38。
应理解，穿过最终通道62的有限量的冷却空气可流出以给压力侧壁18和/或抽吸侧壁20提供冷却。例如，见图2，压力侧薄膜冷却孔67排和/或抽吸侧薄膜冷却孔69排可选地设置用于提供来自最终通道62的空气的一部分的薄膜冷却流。
应注意，最终通道62显示为具有延伸进根部14中的最终通道延伸部62a，并可设置为在制造叶片10期间为陶瓷心子提供支撑。可焊接计量板65以覆盖通道延伸部62a的径向内端处的开口，以防止或限制冷却空气流入通道延伸部62a中。例如，计量板65可允许有限量的冷却空气从转子盘进入通道延伸部62a中，作为用于穿过蜿蜒冷却回路38的最终通道62的冷却空气的清新空气。
参见图3，轴向顶端冷却回路40限定为连续的或未分隔的空腔，其在压力和抽吸侧壁18、20的相应内侧壁表面70、72之间延伸，在空腔地板58的内部顶帽表面74和径向外表面76之间延伸，表面76具有在内侧壁表面70、72之间延伸的大致平面构造。
压力壁角部78限定在内部顶帽表面74和内侧壁表面70之间的接合处，抽吸壁角部80限定在顶帽表面74和内侧壁表面72之间的接合处。顶帽32由相对的大致平面侧部82、84限定，相对的大致平面侧部分别从压力侧壁18和抽吸侧壁20朝向翼面12的弦中心86向内延伸。侧部82、84的向内延伸包括每个侧壁82、84朝向空腔地板58的径向向内倾斜。在所示实施例中，顶帽32形成有大致V形横截面。然而，应理解，侧壁82、84可在辐射的或弯曲的接合处混合。
地板空腔58的内部顶帽表面74和径向外表面78之间在翼展方向上的最小距离D1限定在侧部82、84之间的接合处，空腔地板58的内部顶帽表面74和径向外表面78之间的最大或更大距离D2A、D2B限定在压力和抽吸壁角部78、80处。因此，与沿轴向顶端冷却回路40的中心86流动相比，穿过轴向顶端冷却回路40的冷却空气的更大体积被引导成邻近压力和抽吸侧壁18、20流动。
另外，肋状湍流器88从内侧壁表面70、72延伸进轴向顶端冷却回路40中。如在图1中可看出，湍流器88相对于空腔地板58在翼展方向和尾方向上倾斜，以在轴向顶端冷却回路40中在朝向顶帽32的径向向外方向上产生冷却空气湍流。湍流器88可从空腔地板58以介于约30度至45度范围内的角度向外倾斜。因此，轴向顶端冷却回路40构造成增加冷却空气流，并由此增加对压力和抽吸侧壁18、20及对邻近角部78、80的区域中的顶帽32的冷却。
应注意，轴向顶端冷却回路40可给顶帽32中和周围的各区域提供冷却空气。例如，顶帽32可包括声响器(squealer)轨道90，冷却孔92可从轴向顶端冷却回路40延伸到声响器轨道90的压力侧上的位置，以给声响器轨道40的压力侧(热气体在声响器轨道90上进入声响器顶端空腔94)提供冷却。例如，可提供额外的孔96以将冷却空气注入声响器顶端空腔94中，比如以给空腔94和声响器轨道90提供冷却。
参见图1，还可提供与各冷却回路34、36、38的外端相关联的一个或多个灰槽，以允许垃圾从回路内逸出。例如，前缘回路34可包括灰槽98a，后缘冷却回路36也可包括灰槽98b，蜿蜒冷却回路38可包括灰槽98c。可提供额外的孔，例如由顶帽32中的孔100所示，以给声响器顶端空腔94提供冷却空气。
参见图4，冷却叶片10的方法包括从转子盘根部通路提供冷却空气流至每个冷却回路34、36、38。分别到前缘和后缘冷却回路34、36的冷却空气提供对前缘和后缘22、24的冷却，并且不具有到翼面空腔30内的其它回路的流连通路径。蜿蜒冷却回路38提供了穿过翼面12的中间部分的连续向前的冷却空气流，基本上穿过蜿蜒回路的所有空气形成用于轴向顶端冷却回路40的冷却空气供给，以沿顶帽32的内表面74提供冷却空气流。即，穿过蜿蜒冷却回路38的所有冷却空气(除了经由灰槽98c或顶帽冷却孔100排出的有限量的冷却空气)被引导成流进轴向顶端冷却回路40的前向端41中。
应理解，尽管参考三通过的蜿蜒冷却回路描述了本发明，但是可以提供具有额外通过的替代的冷却回路，比如具有额外中间通道的冷却回路。这种蜿蜒冷却回路可以类似于本文所述蜿蜒冷却回路38类似的方式构造，具有邻近后缘冷却回路安置的初始或第一通道和邻近前缘冷却回路安置并供应轴向顶端冷却回路的最终通道，如上所述。
尽管已示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它改变和修改。因此，意在于所附权利要求书中涵盖位于本发明范围内的所有这些改变和修改。

Claims (16)

1.一种空气冷却的涡轮叶片，包括：
翼面，具有前缘和后缘以及压力侧壁和抽吸侧壁，压力和抽吸侧壁在所述前缘和所述后缘之间沿弦向延伸，并在叶片根部和所述翼面的顶端之间沿翼展方向延伸；
前缘冷却回路，邻近所述前缘沿翼展方向延伸；
后缘冷却回路，邻近所述后缘沿翼展方向延伸；
中间部分蜿蜒冷却回路，沿翼展方向延伸，并位于所述前缘冷却回路和所述后缘冷却回路之间，以在从所述后缘向所述前缘延伸的前向方向上引导空气，所述蜿蜒冷却回路包括第一通道和最终通道，所述第一通道接收来自第一通道根部通路的冷却空气；以及
轴向顶端冷却回路，在弦向方向上延伸，位于顶帽和第一通道外端处的所述蜿蜒冷却回路之间，所述轴向顶端冷却回路具有前向端，所述前向端接收来自所述蜿蜒冷却回路的最终通道的冷却空气，并邻近所述后缘排出所述冷却空气。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其中，所述蜿蜒冷却回路的最终通道是向外流动通道，所述向外流动通道延伸到所述顶帽，并在弯曲部处连接到所述轴向顶端冷却回路的前向端。
3.如权利要求2所述的涡轮叶片，其中，所述蜿蜒冷却回路包括位于第一通道和最终通道之间的至少一个中间通道，在冷却流在所述弯曲部处进入所述轴向顶端冷却回路之前，所述冷却流穿过第一、中间和最终通道。
4.如权利要求3所述的涡轮叶片，其中，相邻的通道通过腿分隔开，所述腿沿翼展方向延伸，并从所述压力侧壁延伸到所述抽吸侧壁，所述前缘冷却回路和蜿蜒回路的最终通道通过其间共同的腿分隔开。
5.如权利要求1所述的涡轮叶片，包括前缘根部通路和后缘根部通路，所述前缘根部通路给所述前缘冷却回路提供冷却空气，所述后缘根部通路给所述后缘冷却回路提供冷却空气，其中，所述前缘冷却回路将冷却空气引导至所述前缘，所述后缘冷却空气提供在多个后缘出口通路处离开所述翼面的冷却空气。
6.如权利要求1所述的涡轮叶片，其中，所述轴向顶端冷却回路限定为连续空腔，所述连续空腔在所述顶帽和空腔地板之间从所述压力侧壁延伸到所述抽吸侧壁，所述空腔地板在从所述轴向顶端冷却回路的前向端到邻近所述后缘的位置的尾方向上延伸。
7.如权利要求6所述的涡轮叶片，其中，所述空腔地板限定出用于第一通道外端处的蜿蜒冷却回路和用于所述后缘冷却回路的外部流边界。
8.如权利要求6所述的涡轮叶片，其中，压力和抽吸壁角部在所述顶帽与相应压力和抽吸侧壁的接合处限定在所述轴向顶端冷却回路内，所述顶帽由从压力和抽吸壁角部朝向所述空腔地板向内延伸的相对侧部限定，在相对侧壁处的接合处，轴向顶端冷却回路在翼展方向上具有最小尺寸。
9.如权利要求8所述的涡轮叶片，包括在所述轴向顶端冷却回路内从压力和抽吸侧壁的内表面延伸的肋状湍流器，所述湍流器相对于所述空腔地板在翼展方向和尾方向上倾斜，以在轴向顶端冷却回路中朝向所述顶帽径向向外地产生冷却空气的湍流。
10.如权利要求9所述的涡轮叶片，其中，所述湍流器从所述空腔地板以介于约30度于约45度范围内的角度向外倾斜。
11.一种用于冷却燃气轮机发动机中使用的涡轮叶片的方法，所述涡轮叶片包括向内安置的叶片根部以及具有向外安置的顶端的翼面，所述翼面包括前缘和后缘，所述后缘具有多个后缘出口通路，以从所述翼面排出冷却空气，所述方法包括：
经由所述叶片根部给所述翼面供给冷却空气；
使一部分冷却空气通过前缘冷却回路，以冷却所述翼面的前缘；
使一部分冷却空气通过后缘冷却回路，以经由多个出口通路离开所述翼面；
使一部分冷却空气通过位于所述前缘冷却回路和所述后缘冷却回路之间的前向流动的蜿蜒冷却回路；以及
使来自所述蜿蜒冷却回路的前向端的冷却空气朝向所述后缘在所述轴向顶端冷却回路内轴向地流动，以给位于所述翼面的顶端的顶帽提供冷却。
12.如权利要求11所述的冷却涡轮叶片的方法，其中，所述蜿蜒冷却回路包括第一通道、至少一个中间通道和最终通道，其中，所述最终通道包括邻近所述顶帽的外端，在所述外端处，所述冷却空气从所述蜿蜒冷却回路到达所述轴向顶端冷却回路。
13.如权利要求12所述的冷却涡轮叶片的方法，其中，来自所述蜿蜒冷却回路的冷却空气沿所述顶帽的内表面在所述轴向顶端冷却回路内从邻近所述前缘冷却回路的前向位置传到向后位置，在向后位置，冷却空气邻近所述翼面的后缘离开所述翼面。
14.如权利要求13所述的冷却涡轮叶片的方法，其中，将冷却空气的穿过所述蜿蜒冷却回路的部分经由所述叶片根部供给到所述蜿蜒冷却回路的第一通道。
15.如权利要求14所述的冷却涡轮叶片的方法，其中，将所述冷却空气的额外部分经由所述叶片根部直接供给到所述蜿蜒冷却回路的最终通道。
16.如权利要求11所述的冷却涡轮叶片的方法，还包括与提供给所述轴向顶端冷却回路的弦中心的冷却空气相比，在所述轴向顶端冷却回路内朝向所述轴向顶端冷却回路的邻近所述翼面的侧壁的部分引导更大量的空气。
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